無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期跨層優(yōu)化研究.pdf

1、能量損耗問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)研究的關(guān)鍵性問題，如何能使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行能量最小同時(shí)使網(wǎng)絡(luò)生命周期(NL)最大是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的研究工作。近年來，圍繞相關(guān)問題，研究人員們進(jìn)行了大量工作。但是，目前的研究內(nèi)容主要集中在用數(shù)值算法解決網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化(NLM)問題，然而數(shù)值解法不能提供準(zhǔn)確的解析表達(dá)式，因此不能深刻揭示(1)這個(gè)優(yōu)化問題的解到底是什么?(2)相關(guān)參數(shù)是如何影響NL的?(3)它們之間的依賴關(guān)系是什么?等能提供進(jìn)一步深入

2、分析NLM命題的問題。本文提出了用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)最優(yōu)性條件解析地求解NLM問題的新途徑，能夠有效回答上面提出的這些疑問。本文主要研究在能量受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中如何使能量消耗最小化以及網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化。由于各層協(xié)議的設(shè)計(jì)都會影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，NLM問題需要綜合考慮各層協(xié)議的約束，因此本文采用跨層優(yōu)化的方法解決這類問題?？梢宰C明，當(dāng)媒體接入控制(MAC)協(xié)議采用時(shí)分復(fù)用(TDMA)的方式時(shí)，NLM問

3、題是一個(gè)整數(shù)一凸函數(shù)混合優(yōu)化問題，通過將時(shí)隙上的整數(shù)約束放松至實(shí)數(shù)域取值，則整數(shù)-凸函數(shù)混合優(yōu)化問題將轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問題。這個(gè)凸優(yōu)化問題綜合考慮了物理層、MAC層以及路由層協(xié)議對能量消耗的影響。本文將集中研究這個(gè)凸優(yōu)化問題，利用凸優(yōu)化理論的良好性質(zhì)尋求解析地求解NLM問題的新途徑。取得的成果主要有： 1.提出了用KKT最優(yōu)性條件解析地求解凸優(yōu)化問題的新途徑，并針對各種拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的NLM問題導(dǎo)出了相應(yīng)的KKT最優(yōu)性條件。

4、 2.在線性單源點(diǎn)單匯點(diǎn)(SSSS)拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過求解對應(yīng)的KKT最優(yōu)性條件得到了該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎翹L的解析全局最優(yōu)解及其最優(yōu)通信策略。 3.在線性多源點(diǎn)單匯點(diǎn)(MSSS)拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過固定路由和分解合并(D&C)解法兩種方式降低了原NLM問題的復(fù)雜度，利用對應(yīng)的KKT最優(yōu)性條件求解得到了該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎翹L的解析次優(yōu)解及其次優(yōu)通信策略。 4.在線性MSSS拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，從NL的定義出發(fā)，結(jié)

5、合相應(yīng)的KKT最優(yōu)性條件，得到保證網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)能量同時(shí)耗盡的緊的解析次優(yōu)解。此外，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率極低的前提下，采用直接求解對應(yīng)的KKT最優(yōu)性條件的方法得到該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銷L的解析全局最優(yōu)解。 5.在平面SSSS拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，從NL的定義出發(fā)，結(jié)合相應(yīng)的KKT最優(yōu)性條件，得到保證網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)能量同時(shí)耗盡的緊的解析次優(yōu)解。 6.在平面MSSS拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)平面SSSS拓?fù)鋀SN的NL和相應(yīng)次優(yōu)時(shí)隙和路由分